单晶硅辐照退火装置温控系统设计与应用

李普+武文超+葛源

摘 要：本文依据单晶硅辐照退火工艺要求，针对退火装置温度控制的要求，设计一套温度控制系统，采用自适应模糊PID温度控制技术实现高精度的温度自动控制；设计相应的安全联锁电路以保证退火过程的安全性和有效性；通过对升温速率、恒温定值、恒温时间等参数的设置与修改，满足不同的温度控制要求，具有灵活的适用性，可广泛应用于相关的温控工艺中。经过系统调试与运行，调试结果满足使用要求，确保退火装置安全、可靠的运行和任务的完成。

关键词：温度控制；PID控制；单晶硅

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.016

1 引言

利用中子进行单晶硅辐照嬗变掺杂时会导致单晶体中产生辐照缺陷，影响单晶硅的电学性能。在工艺制备过程中，为了消除这种中子辐照缺陷，通常对中子辐照后的单晶硅采用退火工艺，以恢复其电学性能。由于单晶硅辐照退火工艺过程中，退火温度高，对环境洁净度要求严格，因此单晶硅退火过程在耐高温的专用单晶硅辐照退火装置中进行，通过温度控制系统匀速升温至设定值，并保持恒温数个小时，以恢复单晶硅电学性能。为了保证退火的有效性和装置的安全性，退火过程中对退火装置内温度控制的要求较为严格，即要满足退火装置内温度分布一致、升温匀速、稳定恒温等各种要求，又要具备安全联锁等功能，因此退火装置温控系统的设计直接影响到单晶硅电学性能的优劣，是单晶硅辐照退火工艺中一个关键环节。

本文依据单晶硅辐照退火装置的结构特点和退火工艺要求，针对退火装置温度控制的要求，设计一套温度控制系统，采用先进成熟的温度控制技术实现高精度的温度自动控制，并设计相应的安全联锁电路以保证退火过程的安全性和有效性。

2 单晶硅辐照退火装置温度控制系统设计

2.1 系统总体设计

单晶硅辐照退火装置选用高温扩散炉，由管状炉体、发热体（加热丝）、保温材料等组成，退火装置是一根管状炉膛，辐照后的单晶硅放置于炉膛内，通过加热丝的加热功率控制炉内温度，这种管状炉膛两端的散热较快、中间的散热较慢，在相同的加热条件下，存在两端温度低、中间温度高的情况，炉膛内温度的不均匀性，会影响退火工艺的效果和炉体的安全性，因此为了保证炉内温度均匀，设计中对电加热丝采取分段控制的方式，每段电加热丝采用一个独立的控制回路，两端的电加热丝电流高于中间的电加热丝电流，使炉膛各段保持相同的温升速率，以保证炉内温度均匀。

温度控制系统硬件主要包括控制器、执行机构、温度检测装置。根据单晶硅辐照退火工艺温度控制范围宽、精度要求高的特点，选用现阶段技术先进且成熟的自适应模糊PID控制器，其优点是控制精度高、可靠性高，能够实现温度的精确自动控制；调功器是温度控制系統的执行机构，能够根据控制信号的大小输出相对应的电流以控制加热功率；在退火过程中，需要实时、快速监测退火装置的温度，因此在炉膛上对应每段电加热丝的位置分别设置一个测温元件作为温度反馈环节，测温元件选用高温型K分度号热电偶，能满足退火装置使用温度范围700℃～1250℃的要求以及测量快速响应的要求。

2.2 电气控制设计

退火工艺加热功率高，加热时间长，为保证炉内温度均匀性，将炉内的一根电加热丝通过两个中间抽头分成独立的三段，每段加热丝设计一个独立的电气控制回路控制加热。

根据退火工艺对升温速率和恒温时间的要求， 通过理论计算和试验验证，选取了相应容量的变压器为主回路提供供电电压，三段加热丝采用变压器的三组隔离输出以满足电气控制回路的独立性。调功器为主回路提供加热电流，以控制加热功率。

为了保证加热过程的可控性，避免故障情况下对退火装置的损坏，设计了电气安全联锁控制，主要内容如下：

（1）三段加热回路的启动设计了逻辑组合电路，将三段加热回路供电状态信号、电气设备工作状态信号、系统报警信号进行了“与”逻辑，只有在供电正常、电气设备工作正常、系统无报警情况下，加热主回路才能完成合闸，开始加热。

（2）在加热过程中，实时监测供电状态信号、电气设备状态信号、控制器及调功器状态信号、热电偶断偶等故障信号，当出现任何一个报警信号时，该电气回路触发报警并同时停止三段加热器的加热，保持退火装置的安全。对以上故障设置了自保持电路，只有当故障消除后，加热主回路才能重新完成合闸，再次启动加热。

（3）电气控制设置了超温保护电路，实时监测炉内温度，当温度超过设定值5℃而加热器未停止加热时，及时触发报警信号，并停止加热。

2.3 自适应模糊PID温度控制

单晶硅辐照退火装置温度变化范围较大，一般从几十摄氏度至上千摄氏度，其温度系统大迟滞和非线性的特点尤其明显，由于退火工艺对升温速率和恒温精度的要求较高，且难以建立精确的数学模型，因此传统的PID控制难以使温度控制达到最优。针对温度控制系统的特点和要求，采取自适应模糊PID温度控制方法实现温度高精度自动控制。

控制器通过采集退火装置加热段热电偶的实际温度信号，与设定温度值相比较，根据误差值e和PID参数的初始值，控制加热器的输出功率；在运行过程中，实时检测实际温度，并计算误差值e和误差变化率ec，通过模糊推理，得出PID参数的修正值△kp、△ki、△kd，并在控制器中实现对PID参数的实时修正，通过PID参数修正，以控制加热器的输出功率，从而实现在不同运行条件下对温度的高精度自动控制。

3 调试及应用

温度控制系统设计完成后，在单晶硅生产辐照工艺中进行了功能及性能的各项调试，包括温度报警联锁及保护功能，断偶保护功能，升温、恒温、降温性能试验，拉温试验等，经调试试验，系统功能和性能指标满足退火工艺要求。

调试完成后，该温度控制系统已投入生产，长期运行情况良好。

4 结束语

单晶硅辐照退火装置温度控制系统采取了分段控制方式和自适应模糊PID温度控制技术，温度控制精度高、温度均匀性好；设计灵活，各项控制参数可设置，能够适应不同的工艺过程；增加了电气安全联锁电路，提高了整个温度控制过程的安全性，可广泛应用于各种加热控温装置的温度控制。

作者简介：李普（1984-），女，助理研究员，主要从事反应堆仪表与控制系统维护、科研和设计工作。